Nghiên cứu, xây dựng hệ thống trạm quan trắc môi trường trên nền tảng Android

ISSN: 1859-2171<br /> <br /> TNU Journal of Science and Technology<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG<br /> TRÊN NỀN TẢNG ANDROID<br /> Nguyễn Thị Dung1, Lê Hoàng Hiệp1*,<br /> Dương Thị Quy , Trần Thị Yến2, Nguyễn Thị Thu Thủy2<br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> Trường Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông – ĐH Thái Nguyên,<br /> 2<br /> Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Hiện nay khí hậu toàn cầu đã và đang biến đổi mạnh mẽ với tần suất và cường độ ngày càng gia<br /> tăng trên toàn thế giới đã gây ra nhiều thiệt hại nặng nề cho nhiều khu vực trên thế giới, đặc biệt<br /> tại Việt Nam đã xảy ra nhiều hiện tượng thời tiết phức tạp như: mưa, rét kéo dài, bão lốc và áp<br /> thấp nhiệt đới hoạt động bất thường không theo quy luật, mùa mưa ít mưa, hạn hán nghiêm trọng<br /> thiếu nước sinh hoạt và sản xuất trên diện rộng, nguy cơ cháy rừng rất cao,…nên rất cần có các<br /> giải pháp hoặc hệ thống, thiết bị có thể đưa ra các cảnh báo sớm, hiệu quả để hạn chế các thiệt hại<br /> do thiên tai, môi trường gây ra. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, nghiên cứu này đề xuất xây dựng<br /> một hệ thống quan trắc với các tính năng cải tiến và hiệu quả hơn nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu<br /> cầu dự báo thời tiết hiện nay.<br /> Từ khóa: Hệ thống quan trắc, nền tảng Android, quan trắc, dự báo thời tiết, thời tiết<br /> Ngày nhận bài: 10/4/2019;Ngày hoàn thiện: 04/5/2019;Ngày duyệt đăng: 07/5/2019<br /> <br /> RESEARCH AND BUILDING OF THE ENVIRONMENTAL MONITORING<br /> SYSTEM BASED ON ANDROID OPERATING SYSTEM<br /> Nguyen Thi Dung1, Le Hoang Hiep1*,<br /> Duong Thi Quy , Tran Thi Yen2, Nguyen Thi Thu Thuy2<br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> University of Information and Communication Technology – TNU,<br /> 2<br /> Nam Dinh University Of Technology Education<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Nowadays, global climate has been changing strongly with increasing frequency and intensity all<br /> over the world which has caused heavy damage to many areas of the world, especially in Vietnam<br /> there were many complicated weather phenomena such as rain, prolonged cold weather, hurricanes<br /> and tropical depressions are unusually irregular, the rainy season is less rainy, serious drought<br /> lacks water for daily life and production for wide-ranging, the risk of forest fire is very high ... so it<br /> is necessary to have solutions or systems and equipment that can give early and effective warnings<br /> to limit the damage caused by natural disasters and the environment. Stemming from that fact, this<br /> study proposes to build a monitoring system with improved and more efficient features to better<br /> meet the current weather forecast requirements.<br /> Keywords: Monitoring System, Android Platform, Monitoring, Weather Forecast, Weather<br /> Received: 10/4/2019; Revised: 04/5/2019;Approved: 07 /5/2019<br /> <br /> * Corresponding author: Tel: 0984 666500; Email: lhhiep@ictu.edu.vn<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> 125<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> 1. Giới thiệu<br /> Các quy luật khí hậu bị phá vỡ khiến ngành<br /> khí tượng thủy văn ngày càng gặp nhiều khó<br /> khăn trong việc dự báo, cảnh báo. Với sự phát<br /> triển của xã hội ngày nay, việc dự báo thời<br /> tiết đón đầu những vận động của thiên nhiên<br /> phục vụ cho đời sống cộng đồng khiến công<br /> tác khí tượng thủy văn ngày càng đóng vai trò<br /> quan trọng trong việc bảo vệ con người và tài<br /> sản. Trong khi đó Việt Nam là một quốc gia<br /> mà ngành nông nghiệp đóng vai trò chủ đạo<br /> thì nhu cầu về thông tin thời tiết, về sự thay<br /> đổi mùa, càng cần thiết hơn bao giờ hết. Để<br /> hạn chế những tác động này, các quốc gia trên<br /> thế giới và Việt Nam đã không ngừng đầu tư<br /> khoa học công nghệ, nghiên cứu các lĩnh vực<br /> khí tượng thủy văn, thời tiết. Sự phát triển của<br /> khoa học kỹ thuật trong nghiên cứu, ứng dụng<br /> và giám sát, theo dõi những biến động của<br /> thời tiết khí hậu, giới nghiên cứu khoa học khí<br /> tượng trên thế giới đã tạo ra những sản phẩm<br /> thiết yếu cho đời sống dân sinh góp phần<br /> giảm nhẹ những thiệt hại do thiên tai gây ra<br /> nhằm đảm bảo sự an toàn về tính mạng, tài<br /> sản cho toàn xã hội.<br /> Trên thực tế tại Việt Nam hiện nay đã áp<br /> dụng hệ thống quan trắc môi trường quốc gia<br /> và hệ thống quan trắc môi trường địa phương<br /> sử dụng các hệ thống, thiết bị của các hãng<br /> (điển hình như: Trạm thời tiết WeaPro; Trạm<br /> quan trắc, giám sát thời tiết iMetos 3.3; Hệ<br /> thống quan trắc khí thải công nghiệp ECAGPIs6.6DA;…). Tuy nhiên, theo tình hình<br /> thực tế hiện nay, những trạm quan trắc môi<br /> trường, thời tiết thường có chung những đặc<br /> điểm như sau: thiết bị khá cồng kềnh nên phải<br /> đặt tại một nhà trạm cố định, không thể di<br /> chuyển đến vị trí khác để sử dụng; Việc sửa<br /> chữa trạm khi có sự cố cũng gặp nhiều khó<br /> khăn; chi phí để xây dựng trạm cần có nguồn<br /> kinh phí lớn; Việc đo đạc những thông số<br /> môi trường, thời tiết tại những nơi có dấu<br /> hiệu ô nhiễm phải thực hiện thủ công,…<br /> Trong nghiên cứu này sẽ định hướng vào việc<br /> sử dụng công nghệ điện tử truyền thông kết<br /> hợp với lĩnh vực công nghệ thông tin vào việc<br /> xây dựng sản phẩm “Trạm quan trắc thời tiết”<br /> với các tính năng như sau:<br /> 126<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> - Thiết bị với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng<br /> cho việc di chuyển và đo đạc số liệu tại các<br /> điểm hiện trường khác nhau.<br /> - Cung cấp và lưu trữ chuỗi số liệu liên tục<br /> thông qua mạng không dây với các thông số:<br /> Nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng mưa,... Kết quả<br /> này sẽ được lưu trữ trên thiết bị điện thoại di<br /> động với lịch sử và thời gian cụ thể, phục vụ<br /> cho công tác thống kê.<br /> - Quá trình đo đạc được thực hiện hoàn toàn<br /> tự động thông qua việc điều khiển bởi phần<br /> mềm trên điện thoại di động hoặc hệ thống<br /> phím bấm trên thân của thiết bị.<br /> - Giao diện chương trình được thiết kế trên<br /> điện thoại di động đảm bảo sự thân thiện khi<br /> sử dụng, tương thích với các thiết bị điện<br /> thoại sử dụng hệ điều hành Android.<br /> - Thiết bị được điều khiển từ xa thông qua<br /> môi trường không dây bởi điện thoại di động<br /> sẽ tạo sự thuận tiện trong quá trình vận hành<br /> sử dụng.<br /> - Thiết kế và xây dựng chương trình xử lý về<br /> điện thoại di động và gửi thống kê số liệu về<br /> Internet từ các đầu đo cảm biến để có thể theo<br /> dõi liên tục các chỉ số từ môi trường, thời tiết.<br /> <br /> Hình 1. Ví dụ về mạng lưới ra đa cảnh báo dông sét<br /> <br /> 2. Xây dựng nội dung, mục tiêu và kết quả<br /> nghiên cứu<br /> 2.1 Nội dung nghiên cứu<br /> Nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ hiện có<br /> để xây dựng một hệ thống quan trắc dự báo<br /> thời tiết với hai thành phần cơ bản [1]:<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> - Thiết kế sản phẩm phần cứng: Trình bày chi<br /> tiết việc thiết kế phần cứng, bao gồm sơ đồ khối<br /> các khối, mạch layout và triển khai thực tế.<br /> - Thiết kế phần mềm: Trình bày về các giải<br /> thuật được sử dụng gồm giải thuật toàn bộ hệ<br /> thống, giải thuật lưu trữ tập lệnh. Xây dựng<br /> phần mềm xử lý dữ liệu. Xử lý dữ liệu, phân<br /> tích và điều khiển hệ thống.<br /> 2.2 Mục tiêu nghiên cứu<br /> Đẩy mạnh việc áp dụng khoa học công nghệ<br /> cao vào quá trình thiết kế xây dựng thiết bị<br /> theo dõi các thông số thời tiết và môi trường<br /> trong việc đánh giá điều kiện thời thiết hiện<br /> tại và dự báo thời tiết tương lai. Thiết bị đảm<br /> bảo tính linh hoạt, thuận tiện trong quá trình<br /> sử dụng như:<br /> - Thiết kế, chế tạo hệ thống bao gồm các cảm<br /> biến có thể đo đạc được những chỉ số quan<br /> trọng như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển,<br /> tốc độ gió, lưu lượng mưa,...<br /> - Thiết kế khối cảnh báo, cảnh báo kịp thời<br /> cho người sử dụng khi các chỉ số môi trường,<br /> thời tiết thay đổi.<br /> - Thiết kế và xây dựng chương trình xử lý và<br /> gửi thông tin thống kê số liệu qua Internet từ<br /> các đầu đo cảm biến tới điện thoại di động để có<br /> thể theo dõi liên tục các chỉ số từ môi trường và<br /> thời tiết, đưa ra giải pháp xử lý kịp thời.<br /> - Thiết kế, thi công hoàn chỉnh phần cứng hệ<br /> thống hoạt động an toàn, ổn định với chi phí<br /> thấp nhất có thể.<br /> 2.3 Đối tượng nghiên cứu<br /> - Sản phẩm được nghiên cứu và chế tạo để<br /> phục vụ cho quá trình theo dõi thông số thời<br /> tiết và môi trường trong việc đánh giá điều<br /> kiện thời thiết hiện tại và dự báo thời tiết<br /> tương lai.<br /> - Các thiết bị, linh kiện điện tử phục vụ cho<br /> việc thiết kế chế tạo sản phẩm,…<br /> 2.4 Phạm vi nghiên cứu<br /> Nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm thực tế tại<br /> một số địa bàn thuộc tỉnh Thái Nguyên.<br /> 2.5 Kết quả đạt được<br /> Sản phẩm của nghiên cứu này là mô hình<br /> thiết bị quan trắc thông số thời tiết và môi<br /> trường. Hệ thống bao gồm các tính năng sau:<br /> - Thiết bị với kích thước nhỏ gọn, dễ dàng<br /> cho việc di chuyển và đo đạc số liệu tại các<br /> điểm hiện trường khác nhau.<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> - Cung cấp và lưu trữ chuỗi số liệu liên tục<br /> thông qua mạng không dây với các thông số:<br /> Nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng mưa,... Kết quả<br /> này sẽ được lưu trữ trên thiết bị điện thoại di<br /> động với lịch sử và thời gian cụ thể, phục vụ<br /> cho công tác thống kê.<br /> - Quá trình đo đạc được thực hiện hoàn toàn<br /> tự động thông qua việc điều khiển bởi phần<br /> mềm trên điện thoại di động hoặc hệ thống<br /> phím bấm được tích hợp trên thiết bị.<br /> - Giao diện chương trình được thiết kế trên<br /> điện thoại di động đảm bảo sự thân thiện khi<br /> sử dụng, tương thích với các thiết bị điện<br /> thoại sử dụng hệ điều hành Android.<br /> - Thiết bị được điều khiển từ xa thông qua<br /> môi trường không dây hoặc qua mạng<br /> Internet bởi điện thoại di động sẽ tạo sự thuận<br /> tiện trong quá trình vận hành sử dụng.<br /> - Thiết kế và xây dựng chương trình xử lý về<br /> điện thoại di động và gửi thông tin thống kê<br /> số liệu về Internet từ các đầu đo cảm biến để<br /> có thể theo dõi liên tục các chỉ số từ môi<br /> trường, thời tiết.<br /> 3. Thiết kế, xây dựng phần cứng và phần<br /> mềm hệ thống<br /> 3.1 Giới thiệu<br /> Hệ thống trạm quan trắc thời tiết có nhiệm vụ<br /> thu nhận thông số nhiệt độ, độ ẩm, mưa thông<br /> qua các cảm biến rồi lưu trữ trên hệ thống<br /> mạng internet và gửi về điện thoại [2].<br /> Hệ thống có thiết kế gồm 5 khối với các chức<br /> năng chính như sau:<br /> +<br /> Khối nguồn: Cung cấp dòng điện<br /> nuôi vi điều khiển và các cảm biến cũng như<br /> toàn bộ các linh kiện trên mạch cứng.<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống<br /> <br /> 127<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> + Khối vi điều khiển: Có nhiệm vụ thu nhận<br /> các thông tin gửi về từ các cảm biến và gửi<br /> các thông tin này lên cơ sở dữ liệu trên mạng<br /> Internet.<br /> + Khối cảm biến: Chuyển các thông số thông tin<br /> môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa từ<br /> giá trị tương tự (Analog) về giá trị số (Digital) để<br /> thiết bị vi điều khiển có thể hiểu được.<br /> + Khối Internet: là cơ sở dữ liệu MySQL nằm<br /> trên mạng Internet. Các thông số gửi lên từ vi<br /> điều khiển được lưu trữ tại đây và có thể truy<br /> cập, kết nối bằng điện thoại có kết nối<br /> Internet.<br /> + Khối Smartphone: là ứng dụng trên điện<br /> thoại di động giúp lấy dữ liệu từ cơ sở dữ liệu<br /> trên Internet và hiển thị cho người theo dõi<br /> đọc được các thông tin.<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> 3.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm DHT11<br /> DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm thông<br /> dụng với chi phí rẻ và lấy dữ liệu dễ dàng, sử<br /> dụng giao tiếp số theo chuẩn một dây. Cảm<br /> biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp<br /> dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần<br /> phải qua bất kỳ tính toán nào.<br /> <br /> Hình 4. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ chân Node MCU DEVKIT<br /> <br /> 3.2 Lựa chọn linh kiện<br /> 3.2.1 Board phát triển Node MCU DEVKIT<br /> Node MCU DEVKIT là tên gọi của Main<br /> Board tích hợp dựa trên nền chip ESP-12E<br /> với thiết kế dễ sử dụng, có thể kết nối WiFi<br /> với một vài thao tác. Board còn tích hợp IC<br /> CP2102 dễ dàng giao tiếp với máy tính thông<br /> qua Micro-USB.<br /> Node MCU DEVKIT có cấu tạo gồm 30 chân,<br /> trong đó có các chân cung cấp nguồn nuôi cho<br /> toàn bộ Board (Vin, GND, 3V3); có 13 chân dữ<br /> liệu vào ra GPIO (00, 01, 02, 03, 04, 05, 09, 10,<br /> 12, 13, 14, 15, 16); có 1 chân Analog ADC0;<br /> các chân EN, RST sử dụng trong quá trình reset<br /> và nạp chương trình cho Board.<br /> 128<br /> <br /> Thông số kỹ thuật của DHT11:<br /> + Nguồn: 3 -> 5 VDC.<br /> + Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).<br /> + Đo tốt ở độ ẩm 2080% RH với sai số 5%.<br /> + Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C.<br /> + Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)<br /> + Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm.<br /> + Có 4 chân, khoảng cách mỗi chân là 0.1''.<br /> 3.2.3 Cảm biến mưa<br /> Cảm biến mưa là một loại cảm biến đơn giản,<br /> sử dụng để phát hiện mực nước, trời mưa hay<br /> các môi trường có nước.<br /> <br /> Hình 5. Cảm biến mưa<br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> Nguyễn Thị Dung và Đtg<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN<br /> <br /> Cảm biến gồm hai phần:<br /> + Tấm Raindrops được gắn ngoài trời.<br /> + Bộ phận điều khiển cần được che chắn.<br /> Tấm Raindrops thực chất là hai đường mạch<br /> đan vào song với nhau nhưng không nối vào<br /> nhau. Khi trời khô ráo, hai đường mạch riêng<br /> biệt không dẫn điện. Khi trời mưa, nước mưa<br /> rơi vào tạo ra môi trường dẫn điện giữa hai<br /> đường mạch, tùy thuộc vào độ bao phủ của<br /> nước mưa trên tấm Raindrops mà độ dẫn điện<br /> sẽ khác nhau.<br /> 3.3 Thiết kế kết nối phần cứng<br /> <br /> 200(07): 125 - 132<br /> <br /> Nguyên lý hoạt động:<br /> + Dòng điện một chiều từ nguồn pin đi vào IC<br /> ổn áp 7805.<br /> + IC 7805 - IC ổn áp là mạch tích hợp sẵn<br /> trong gói TO-220 với một điện áp đầu ra cố<br /> định là 5V, yêu cầu điện áp đầu vào tối thiếu<br /> là 7V: sụt áp 12V xuống 5V xuất ra OUT.<br /> + Tụ C2 C3 phóng nạp san phẳng mức điện áp.<br /> + Tụ C4 C5 có tác dụng chống nhiễu cho<br /> khối nguồn.<br /> - Khối cảm biến:<br /> <br /> 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý<br /> Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế sơ đồ<br /> nguyên lý phần cứng và sử dụng phần mềm<br /> Arduino IDE để lập trình cho phần cứng.<br /> <br /> Hình 8. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến<br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ nguyên lý thiết bị<br /> <br /> Nguyên lý hoạt động:<br /> + Các cảm biến nhiệt độ độ ẩm và cảm biến<br /> mưa đo đạc thông số môi trường rồi gửi về vi<br /> điều khiển.<br /> + Vi điều khiển thực hiện kết nối với mạng<br /> Internet thông qua sóng WiFi và gửi các thông<br /> số nhận được từ cảm biến lên cơ sở dữ liệu.<br /> 3.3.2 Sơ đồ các khối trong mạch<br /> - Khối nguồn:<br /> <br /> Nguyên lý hoạt động:<br /> + Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 và cảm<br /> biến mưa sử dụng nguồn 5V được lấy ra từ<br /> khối nguồn.<br /> + Dữ liệu gửi về từ cảm biến DHT11 là một<br /> byte dữ liệu, điện áp các bit dữ liệu được hỗ<br /> trợ từ nguồn nuôi, điện trở R1 có chức năng<br /> giảm dòng trực tiếp từ nguồn nuôi tránh làm<br /> hỏng vi điều khiển và cảm biến.<br /> + Cảm biến mưa hoạt động dựa trên việc so<br /> sánh điện áp đặt trước với giá tri điện áp đo<br /> được từ tấm Raindrop. Khi trời khô các<br /> đường mạch trên tấm Raidrop không thông,<br /> giá trị điện áp ở mức 5V lớn hơn giá trị đặt<br /> trước và ngược lại khi trời mưa nước dẫn điện<br /> khiến các đường mạch thông nhau và thông<br /> về mass, điện áp giảm xuống thấp hơn.<br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn<br /> <br /> + Điện trở R2 có nhiệm vụ giảm dòng điện<br /> trên tấm Raindrop, tụ C1 có khả năng lọc<br /> nhiễu tín hiệu, biến trở RV1 dùng để điều<br /> chỉnh điện áp đặt trước, IC so sánh LM324 có<br /> nhiệm vụ so sánh hai điện áp đầu vào và xuất<br /> ra tín hiệu ở mức cao hay thấp.<br /> <br /> http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn<br /> <br /> 129<br /> <br />